TRIZ方法在解決鑄型刮砂成型過程中型砂坍塌問題中的應(yīng)用

文/共享鑄鋼有限公司　馬文治　蘇志東

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TRIZ方法在解決鑄型刮砂成型過程中型砂坍塌問題中的應(yīng)用

文/共享鑄鋼有限公司馬文治蘇志東

摘要：本文通過使用TRIZ功能模型、因果分析、技術(shù)矛盾和物場模型等工具，探討了TRIZ方法在解決鑄型刮砂成型過程中型砂坍塌問題中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：TRIZ；功能分析；技術(shù)矛盾；物場模型

TRIZ 是由前蘇聯(lián)海軍部專家阿奇舒勒創(chuàng)立的，他被譽為TRIZ 之父。從1946 年開始，他通過對數(shù)以百萬計的專利文獻進行研究，提煉出一套解決復(fù)雜技術(shù)問題的系統(tǒng)方法[1]。

TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。實踐證明，運用TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品[2]。

如圖1所示，TRIZ工程問題解決的流程為將分析待解決的工程問題，轉(zhuǎn)化為TRIZ的問題模型，然后應(yīng)用TRIZ解決問題模型，提出解決方法，并將解決方案落實到實際問題中。本文以解決鑄型刮砂成型過程中型砂坍塌問題為例，討論TRIZ理論在解決工程問題中的應(yīng)用。

圖1　TRIZ工程問題解決流程

1　問題描述

大型鑄鋼件通常采用樹脂砂造型，一般情況下都選取木模或消失模作為鑄造模具。隨著市場競爭的不斷加劇，高質(zhì)量、低成本、短周期的成型方法已經(jīng)成為鑄造企業(yè)研發(fā)的重點之一。樹脂砂刮砂成型在環(huán)形鑄件的制造中，可以減少模具的制造費用及制作周期，但是由于樹脂砂刮砂成型砂型表面強度低、光潔度差，尤其是在成型接近90°陡峭面的過程中容易坍塌的問題，嚴重制約鑄件半成品的質(zhì)量，進而影響鑄件質(zhì)量。如何防止刮砂成型過程中型砂坍塌，成為當務(wù)之急。

圖2　樹脂砂刮砂成型系統(tǒng)

2　問題分析

2.1功能分析

為了實現(xiàn)環(huán)類結(jié)構(gòu)鑄件砂型的快速成型，公司設(shè)計了樹脂砂刮砂成型系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)動機構(gòu)（轉(zhuǎn)動軸、套筒、支架、橫梁）、刮板、樹脂砂、砂箱、工作平臺組成，如圖2所示，系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)帶動刮板，將樹脂砂刮制出具有刮板型線形狀的回轉(zhuǎn)體砂型。

該樹脂砂刮砂成型系統(tǒng)的工作原理是：根據(jù)鑄件的回轉(zhuǎn)特性，將刮板安裝至帶有轉(zhuǎn)動機構(gòu)的中心軸上，在砂箱中刮制出具有刮板形狀的砂型，以達到成型的目的。

該樹脂砂刮砂成型系統(tǒng)的作用對象是樹脂砂，各組件之間的相互關(guān)系以及作用為：刮板刮樹脂砂，支架固定刮板，轉(zhuǎn)動軸固定支架，橫梁固定轉(zhuǎn)動軸，套筒導(dǎo)向轉(zhuǎn)動軸，樹脂砂固定套筒，砂箱支撐橫梁，砂箱還有擋樹脂砂的作用，工作平臺支撐轉(zhuǎn)動軸、套筒、樹脂砂，相互作用如圖3所示。在實際生產(chǎn)中，刮板在刮制圖3A部位時，由于刮板對樹脂砂的作用不充分，很容易出現(xiàn)樹脂砂坍塌的問題。

圖3　樹脂砂刮砂系統(tǒng)功能模型圖

2.2因果分析

樹脂砂刮砂成型過程中，樹脂砂坍塌的原因可使用圖4所示的因果鏈分析，究其原因有兩點：其一是如前所述的刮砂過程中刮板對樹脂砂的作用不充分，壓力太小，不足以使樹脂砂緊密固結(jié)在一起；其二是樹脂、固化劑加入比例小，導(dǎo)致樹脂砂粘結(jié)強度不足。

圖4　樹脂砂刮砂面坍塌因果鏈分析

3　問題解決

3.1技術(shù)矛盾

所謂技術(shù)矛盾是指用已知的原理和方法去改進系統(tǒng)某部分或某些參數(shù)時，不可避免地會出現(xiàn)系統(tǒng)的其它部分或參數(shù)變壞的現(xiàn)象[3]。例如：質(zhì)量和強度、汽車的速度和燃料耗費等等。

阿奇舒勒通過對大量發(fā)明專利的研究，抽象出39 項產(chǎn)生系統(tǒng)矛盾對立的典型技術(shù)特性，又在此基礎(chǔ)上給出了40 個發(fā)明創(chuàng)造原理[3]，提示設(shè)計者最有可能解決問題的方法，它成為解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵。

在本文研究的問題中，針對樹脂砂坍塌的第二個原因，提出技術(shù)矛盾：

技術(shù)矛盾1：增加型砂中樹脂、固化劑的加入量，樹脂砂容易固結(jié)，且粘結(jié)強度高，坍塌不容易發(fā)生，但是型砂可使用時間會縮短，樹脂固化劑反應(yīng)后刮制，會造成型砂表面質(zhì)量下降；

技術(shù)矛盾2：不增加型砂中樹脂、固化劑的加入量，樹脂砂可使用時間不會縮短，樹脂砂表面質(zhì)量不會下降，但是樹脂砂不容易固結(jié)，而且粘結(jié)強度低，刮砂面就容易發(fā)生坍塌。

從以上技術(shù)矛盾中找到改善的技術(shù)參數(shù)是14“強度”，惡化的技術(shù)參數(shù)是32“可制造性”。為了解決這一矛盾，對照阿奇舒勒矛盾矩陣[2]，提供了4種發(fā)明原理，分別為1號“分割原理”、3號“局部質(zhì)量原理”、10號“預(yù)先作用原理”、32號“顏色改變”。通過對這些原理的比較，從發(fā)明原理1中提出解決方案1：樹脂砂內(nèi)層樹脂、固化劑加入量增加，表面樹脂固化劑加入量減少，以及解決方案2：在刮砂過程中樹脂砂逐層刮制，以樹脂砂可成型的高度為層高進行刮制；從發(fā)明原理3中提出解決方案3：將砂型分割成多塊，加厚刮板的厚度，分段刮制；從發(fā)明原理10中提出解決方案4：刮制的時候內(nèi)部用直徑5～10mm圓鋼制作鋼筋架，來加強樹脂砂的強度。從發(fā)明原理32中未找到適合本問題的方法。

3.2物場模型

物場模型是TRIZ對與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相關(guān)問題建立模型的工具，是技術(shù)系統(tǒng)中最小的單元，由兩個元素以及兩個元素間傳遞的能量組成，執(zhí)行一個功能。阿奇舒勒把功能定義為兩個物質(zhì)（元素）與作用于它們中的場（能量）之間的交互作用，也就是物質(zhì)S2通過能量F 作用于物質(zhì)S1產(chǎn)生的輸出（功能）[4]，如圖5 所示。

圖5　物場模型

表1 方案評價表

物場模型在解決效應(yīng)不足的問題時，提供的一般解法有3種：1）增加另外一個場F2（或者F2和S3一起）替代原來的場F1（或者F1及S2）；2）增加另外一個場F2來強化有用的效應(yīng)；3）插進一個物質(zhì)S3并加上另一個場F2來提高有用效應(yīng)[2]。

在本文研究的問題中，針對刮板對樹脂砂的作用不充分，利用物場模型進行分析。物場模型如圖6所示，刮板通過機械場對樹脂砂有刮的作用，但是此作用不充分。根據(jù)物場模型提供的第3種解法，對此工程問題提出解決方案5：增加一個滾動輪S3，刮板刮樹脂砂后，再給樹脂砂一個滾動的壓力，增加壓力，防止樹脂砂坍塌。

圖6　刮砂成型的物場模型

3.3方案評價

從消除矛盾、產(chǎn)生新的危害、投入成本、復(fù)雜性以及可行性5個方面，按照0/1/2三個等級分值越大代表越有利于消除矛盾，產(chǎn)生的新危害越小，投入的成本越低，系統(tǒng)越簡單，可行性越高，對以上解決方案進行評價，并對5種解決方案進行優(yōu)先級排序。如表1所示，得分最高的方案5為優(yōu)選方案，其次是方案1、方案2、方案3、方案4。

4　結(jié)論

本文通過應(yīng)用TRIZ基本理論，結(jié)合鑄造樹脂砂刮砂成型過程中樹脂砂坍塌的問題，探討了如何利用TRIZ分析工具分析實際問題，并且轉(zhuǎn)化成TRIZ問題模型，然后利用TRIZ解決問題工具，對此問題提出解決方案，最后通過對各方案的評價篩選出最優(yōu)的解決方案。但最優(yōu)方案的實際驗證還需在以后的研究中繼續(xù)深入。

責編/劉紅偉

參考文獻

【1】劉鴻恩, 張列平.TRIZ問題解決的創(chuàng)造性理論和方法[J].上海質(zhì)量,2000,(2):30～32.

【2】曹福全.創(chuàng)新思維與方法概論——TRIZ理論與應(yīng)用 [M]. 黑龍江教育出版社.2009.

【3】牛占文,徐燕申,林岳等.發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)方法論——TRIZ[M].武漢: 中國機械工程出版社,1999,10(1):84～89．

【4】鄭稱德.TRIZ理論及其設(shè)計模型[J].管理工程學(xué)報，2013，（1）：Vol.17，No.1.

萊鋼創(chuàng)新方法推廣案例

基金項目：國家創(chuàng)新方法工作專項（2013IM021600）.

作者簡介：馬文治（1987-），助理工程師，主要從事企業(yè)六西格瑪項目管理工作。